Image contrast and interpretationTh

Image contrast and interpretation
The contrast of a HRTEM image arises from the interference in the image plane of the electron wave with itself. Due to our inability to record the phase of an electron wave, only the amplitude in the image plane is recorded. However, a large part of the structure information of the sample is contained in the phase of the electron wave. In order to detect it, the aberrations of the microscope (like defocus) have to be tuned in a way that converts the phase of the wave at the specimen exit plane into amplitudes in the image plane.

The interaction of the electron wave with the crystallographic structure of the sample is complex, but a qualitative idea of the interaction can readily be obtained. Each imaging electron interacts independently with the sample. Above the sample, the wave of an electron can be approximated as a plane wave incident on the sample surface. As it penetrates the sample, it is attracted by the positive atomic potentials of the atom cores, and channels along the atom columns of the crystallographic lattice (s-state model[4]). At the same time, the interaction between the electron wave in different atom columns leads to Bragg diffraction. The exact description of dynamical scattering of electrons in a sample not satisfying the weak phase object approximation (WPOA), which is almost all real samples, still remains the holy grail of electron microscopy. However, the physics of electron scattering and electron microscope image formation are sufficiently well known to allow accurate simulation of electron microscope images.[5]

As a result of the interaction with a crystalline sample, the electron exit wave right below the sample φe(x,u) as a function of the spatial coordinate x is a superposition of a plane wave and a multitude of diffracted beams with different in plane spatial frequencies u (spatial frequencies correspond to scattering angles, or distances of rays from the optical axis in a diffraction plane). The phase change φe(x,u) relative to the incident wave peaks at the location of the atom columns. The exit wave now passes through the imaging system of the microscope where it undergoes further phase change and interferes as the image wave in the imaging plane (mostly a digital pixel detector like a CCD camera). It is important to realize, that the recorded image is NOT a direct representation of the samples crystallographic structure. For instance, high intensity might or might not indicate the presence of an atom column in that precise location (see simulation). The relationship between the exit wave and the image wave is a highly nonlinear one and is a function of the aberrations of the microscope. It is described by the contrast transfer function.
Optimum defocus in HRTEM
To calculate back to φe(x,u) the wave in the image plane is back propagated numerically to the sample. If all properties of the microscope are well known, it is possible to recover the real exit wave with very high accuracy.

First however, both phase and amplitude of the electron wave in the image plane must be measured. As our instruments only record amplitudes, an alternative method to recover the phase has to be used. There are two methods in use today:

Holography, which was developed by Gabor expressly for TEM applications, uses a prism to split the beam into a reference beam and a second one passing through the sample. Phase changes between the two are then translated in small shifts of the interference pattern, which allows recovering both phase and amplitude of the interfering wave.
Through focal series method takes advantage of the fact that the CTF is focus dependent. A series of about 20 pictures is shot under the same imaging conditions with the exception of the focus which is incremented between each take. Together with exact knowledge of the CTF the series allows for computation of φe(x,u) (see figure).
Both methods extend the point resolution of the microscope the information limit, which is the highest possible resolution achievable on a given machine. The ideal defocus value for this type of imaging is known as Lichte defocus and is usually several hundred nanometers negative.

Kết quả (Việt) 1:

Hình ảnh tương phản và giải thíchSự tương phản của hình ảnh HRTEM phát sinh từ sự can thiệp trong mặt phẳng hình ảnh của sóng điện tử với chính nó. Do chúng tôi không có khả năng ghi lại giai đoạn của một làn sóng điện tử, chỉ biên độ trong mặt phẳng hình ảnh được ghi lại. Tuy nhiên, một phần lớn của các thông tin cấu trúc của mẫu được chứa trong giai đoạn đầu của làn sóng điện tử. Để phát hiện nó, quang sai của kính hiển vi (như defocus) phải được điều chỉnh theo cách mà chuyển đổi giai đoạn đầu của làn sóng lúc máy bay lối ra mẫu vào amplitudes trong mặt phẳng hình ảnh.Sự tương tác của sóng điện tử với cấu trúc crystallographic của mẫu là phức tạp, nhưng một ý tưởng về chất lượng của sự tương tác có thể dễ dàng được lấy. Mỗi điện tử hình ảnh tương tác một cách độc lập với mẫu. Trên mẫu, làn sóng một điện tử có thể được ước chừng là một sự cố máy bay sóng trên bề mặt mẫu. Như nó thâm nhập vào mẫu, nó là thu hút bởi tích cực tiềm năng nguyên tử của các nguyên tử lõi, và các kênh dọc theo cột atom của crystallographic lưới (s-nhà nước model[4]). Cùng lúc đó, sự tương tác giữa làn sóng điện tử trong cột khác nhau nguyên tử dẫn đến Bragg nhiễu xạ. Các mô tả chính xác về động lực tán xạ của các điện tử trong một mẫu không đáp ứng xấp xỉ đối tượng yếu giai đoạn (WPOA), mà là gần như tất cả mẫu thực tế, vẫn còn các chén Thánh của kính hiển vi điện tử. Tuy nhiên, vật lý của điện tử tán xạ và kính hiển vi điện tử hình thành hình ảnh đủ cũng được biết đến để cho phép các mô phỏng chính xác của hình ảnh kính hiển vi điện tử. [5]Là kết quả của sự tương tác với một mẫu tinh thể, điện tử lối ra sóng ngay dưới φe(x,u) mẫu là một hàm của các tọa độ x không gian là một chồng chất của sóng phẳng và vô số các chùm tia diffracted với khác nhau trong máy bay không gian tần số u (không gian tần số tương ứng với góc tán xạ, hoặc khoảng cách của tia từ Trung quang trong một mặt phẳng nhiễu xạ). Giai đoạn thay đổi φe(x,u) tương đối so với các đỉnh núi incident sóng tại vị trí của các nguyên tử cột. Lối ra sóng bây giờ đi qua hệ thống hình ảnh của kính hiển vi nơi nó trải qua các giai đoạn thay đổi và can thiệp là sóng hình ảnh trong hình ảnh phẳng (chủ yếu là một máy dò điểm ảnh kỹ thuật số như một máy ảnh CCD). Nó là quan trọng để nhận ra, rằng hình ảnh ghi lại không phải là một đại diện trực tiếp của mẫu cấu trúc crystallographic. Ví dụ, cường độ cao có thể hoặc có thể không chỉ ra sự hiện diện của một cột nguyên tử ở vị trí chính xác đó (xem mô phỏng). Mối quan hệ giữa lối ra sóng và làn sóng hình ảnh là một trong rất phi tuyến và là một chức năng của quang sai của kính hiển vi. Nó được mô tả bởi hàm truyền tương phản.Defocus tối ưu trong HRTEMĐể tính toán quay lại φe(x,u) sóng trong hình ảnh máy bay trở lại tuyên truyền đạo để mẫu. Nếu tất cả các thuộc tính của kính hiển vi là nổi tiếng, nó có thể phục hồi làn sóng thực xuất cảnh với độ chính xác rất cao.Đầu tiên Tuy nhiên, cả hai giai đoạn và biên độ của sóng điện tử trong mặt phẳng hình ảnh phải được đo. Như chúng tôi amplitudes chỉ ghi công cụ, một phương pháp thay thế để phục hồi giai đoạn đã được sử dụng. Có hai phương pháp sử dụng vào ngày hôm nay:Holography, được phát triển bởi Gabor rõ ràng cho các ứng dụng TEM, sử dụng một lăng kính phân chia các chùm tia thành một chùm tham chiếu và một thứ hai đi qua mẫu. Giai đoạn thay đổi giữa hai sau đó được dịch trong các thay đổi nhỏ của các mô hình can thiệp, cho phép phục hồi pha và biên độ của sóng interfering.Thông qua đầu mối loạt phương pháp mất lợi thế của thực tế là CTF tập trung phụ thuộc. Một loạt các khoảng 20 hình ảnh bị bắn theo các điều kiện hình ảnh cùng một ngoại trừ tập trung đó tăng lên giữa mỗi mất. Cùng với các kiến thức chính xác của CTF dòng cho phép cho các tính toán của φe(x,u) (xem hình).Cả hai phương pháp mở rộng độ phân giải điểm của kính hiển vi giới hạn thông tin, đó là độ phân giải cao nhất có thể đạt được trên một máy tính nhất định. Loại hình ảnh lý tưởng defocus đáng được biết đến như Lichte defocus và thường là một vài trăm nanometers tiêu cực.

Kết quả (Việt) 2:

Tương phản hình ảnh và giải thích
sự tương phản của hình ảnh HRTEM phát sinh từ sự giao thoa trong mặt phẳng ảnh của sóng electron với chính nó. Do không có khả năng của chúng tôi để ghi lại các giai đoạn của một sóng điện tử, chỉ có biên độ trong mặt phẳng hình ảnh được ghi lại. Tuy nhiên, một phần lớn của các cấu trúc thông tin của mẫu được chứa trong các pha của sóng electron. Để phát hiện ra nó, các quang sai của kính hiển vi (như defocus) phải được điều chỉnh một cách có thể chuyển đổi các pha của sóng lúc máy bay xuất cảnh mẫu vật vào biên độ trong mặt phẳng ảnh. Sự tương tác của sóng điện tử với các tinh thể cấu trúc của mẫu này là phức tạp, nhưng một ý tưởng về chất lượng của các tương tác có thể dễ dàng có được. Mỗi electron tương tác hình ảnh độc lập với mẫu. Trên mẫu, làn sóng của một electron có thể được xấp xỉ như một sự cố máy bay sóng trên bề mặt mẫu. Khi nó thâm nhập vào mẫu, nó được thu hút bởi tiềm năng nguyên tử tích cực của các lõi nguyên tử, và các kênh dọc theo cột nguyên tử của mạng tinh thể (mô hình của nhà nước [4]). Đồng thời, sự tương tác giữa các sóng electron trong nguyên tử khác nhau cột dẫn đến Bragg nhiễu xạ. Các mô tả chính xác của sự tán xạ động học của các electron trong một mẫu không đáp ứng được các đối tượng yếu giai đoạn xấp xỉ (WPOA), mà là gần như tất cả các mẫu thực tế, vẫn là Chén thánh của kính hiển vi điện tử. Tuy nhiên, tính chất vật lý của sự tán xạ electron và electron hình ảnh kính hiển vi được đủ nổi tiếng để cho phép mô phỏng chính xác của hình ảnh hiển vi điện tử. [5] Như một kết quả của sự tương tác với một mẫu tinh thể, làn sóng thoát electron dưới đây đúng φe mẫu (x , u) là một chức năng của không gian tọa độ x là một sự chồng chất của một sóng phẳng và vô số các tia nhiễu xạ với nhau trong mặt phẳng tần số không gian u (tần số không gian tương ứng với tán xạ góc độ, hoặc khoảng cách của các tia từ trục quang học trong một nhiễu xạ máy bay). Sự thay đổi pha φe (x, u) so với đỉnh sóng tới tại vị trí của các cột nguyên tử. Làn sóng thoát ra vào lúc đi qua hệ thống hình ảnh của kính hiển vi mà nó trải qua giai đoạn thay đổi hơn nữa và gây trở ngại như các sóng hình ảnh trong mặt phẳng ảnh (chủ yếu là một điểm ảnh dò kỹ thuật số như một máy ảnh CCD). Điều quan trọng là nhận ra, rằng hình ảnh được ghi lại là không một đại diện trực tiếp của các mẫu cấu trúc tinh thể. Ví dụ, cường độ cao có thể hoặc có thể không thấy sự hiện diện của một cột nguyên tử trong đó vị trí chính xác (xem mô phỏng). Mối quan hệ giữa sóng lối ra và sóng hình ảnh là một trong những cao phi tuyến và là một chức năng của quang sai của kính hiển vi. Nó được mô tả bởi hàm truyền tương phản. Defocus tối ưu trong HRTEM Để tính toán lại để φe (x, u) sóng trong mặt phẳng ảnh được truyền trở lại số lượng đến mẫu. Nếu tất cả các thuộc tính của các kính hiển vi cũng được biết đến, nó có thể phục hồi các làn sóng xuất cảnh thực với độ chính xác rất cao. Đầu tiên tuy nhiên, cả hai pha và biên độ của sóng electron trong mặt phẳng ảnh phải được đo. Với các thiết bị của chúng tôi chỉ ghi lại biên độ, một phương pháp thay thế để phục hồi giai đoạn phải được sử dụng. Có hai phương pháp sử dụng ngày nay: Holography, được phát triển bởi Gabor rõ ràng cho các ứng dụng TEM, dùng một lăng kính để phân chia các chùm thành một chùm tham chiếu và một giây đi qua mẫu. Thay đổi giai đoạn giữa hai sau đó được dịch theo ca nhỏ của các mô hình can thiệp, trong đó cho phép khôi phục cả hai pha và biên độ của sóng nhiễu. Thông qua phương pháp loạt đầu mối có lợi thế của một thực tế rằng CTF là tập trung phụ thuộc. Một loạt các hình ảnh về 20 được bắn theo các điều kiện chụp ảnh cùng với các ngoại lệ của sự tập trung mà được tăng lên giữa mỗi lần quay. Cùng với kiến thức chính xác của CTF series cho phép tính toán của φe (x, u) (xem hình). Cả hai phương pháp mở rộng độ phân giải điểm của kính hiển vi các giới hạn thông tin, đó là độ phân giải cao nhất có thể đạt được trên một máy nhất định. Giá trị defocus lý tưởng cho loại hình ảnh được gọi là LICHTE defocus và thường là vài trăm nanomet tiêu cực.